張家鶴，陳凌陽，于林平，王 偉，孫 悅，陳玲鈺，孟 齊

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

1 研究背景

全球現(xiàn)有12億人面臨中度到高度缺水的狀況，80個(gè)國家水源不足，20億人的飲水得不到保證。預(yù)計(jì)到2025年，形勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步惡化，缺水人口將達(dá)到28～33億人。我國屬于缺水國之列，人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，居世界第109位，已被列入全世界人均水資源較少的13個(gè)貧水國家之一。

近幾年，我國全國總供水量大約在5500億m3左右，灌溉用水量大約在3600億m3，占全國總供水量的65%左右。然而，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物吸收的總的水量只有不足1%用做其自身生長，而通過呼吸蒸騰作用散失的水高達(dá)99%。尤其當(dāng)作物在溫室大棚中時(shí)，蒸騰散失的水無法進(jìn)入大氣循環(huán)利用，造成了大量水資源的浪費(fèi)。以北方大棚生菜為例，1畝大棚生菜在一個(gè)生長周期內(nèi)，共需要用水約105 m3。其生長周期內(nèi)蒸騰作用散失的水占用水量的50%～60%，如果按回收70%計(jì)算的話，那就是44 m3。而我國的溫室和大棚面積高達(dá)200萬hm2，如果能將溫室大棚中這部分浪費(fèi)的水資源得以回收再利用，那么就能節(jié)約13.2億m3的水，能有效地緩解農(nóng)業(yè)用水帶來的浪費(fèi)。另一方面，對(duì)于大棚內(nèi)的植物來說，塑料薄膜不透氣，棚內(nèi)栽培由于土壤水分的蒸發(fā)和作物的蒸騰作用，使棚內(nèi)空氣濕度增長；若不通風(fēng)，棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度可達(dá)90%以上，甚至達(dá)100%。如果棚內(nèi)相對(duì)濕度過高，植株葉片的蒸騰作用就會(huì)受到抑制。土壤濕度和棚內(nèi)的空氣濕度增高，棚膜上凝結(jié)大量水珠，既影響作物的光合作用，不利于植株的生長發(fā)育，又容易使病菌繁殖，病害流行，危害嚴(yán)重。因此，調(diào)節(jié)棚內(nèi)濕度，特別是調(diào)節(jié)夜間濕度，是防治病害、促進(jìn)作物生長發(fā)育的重要措施。如若能夠?qū)⒆魑锏恼趄v水有效合理地回收，進(jìn)而控制大棚內(nèi)的濕度在一個(gè)合理有效的范圍內(nèi)，這樣不僅保障了作物的正常生長，還可以使大棚的種植利益最大化(圖1)。

綜上所述，溫室大棚中浪費(fèi)的蒸騰水不容忽視。這部分水資源合理回收利用，既可以減少農(nóng)業(yè)用水量，大幅度提高用水效率；同時(shí)也可以使大棚種植環(huán)境得到改善，使農(nóng)作物更好地生長，可謂一舉兩得。

圖1 溫室大棚實(shí)景

2 溫室大棚蒸騰水的吸收與利用智能化系統(tǒng)的研究

2.1 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容基于高效節(jié)水、環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展理念，以溫室大棚中的蒸騰水收集、利用為目的，在收集分析溫室大棚農(nóng)作物適宜濕度等信息的基礎(chǔ)上，基于智能化控制的理念研究溫室大棚中的蒸騰水收集(捕捉)、處理和再利用的途徑與方法，保障農(nóng)業(yè)用水的高效可持續(xù)利用。包括：①溫室大棚農(nóng)作物適宜濕度的資料收集與分析；②大棚蒸騰水的收集(捕捉)與處理系統(tǒng)的研究；③基于智能化控制理念收集蒸騰水并用于大棚灌溉及其它農(nóng)業(yè)灌溉的研究。

2.2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由蒸騰水吸收與利用模塊和智能控制模塊兩部分組成，其中吸收與利用模塊如圖2所示，兩個(gè)模塊在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著不同作用，系統(tǒng)的主要部分見圖2。

圖2 吸收與利用模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 捕水器部分

如圖3所示，捕水器設(shè)計(jì)為半球體形狀，在其頂端的圓壁周圍打孔以鋪設(shè)金屬濾網(wǎng)。濾網(wǎng)用于冷凝大棚中的水蒸氣，使其凝結(jié)成水滴并透過濾網(wǎng)流下[1～3]。同時(shí)，在半球體中設(shè)置排風(fēng)扇，以促使大棚中的蒸騰水向捕水器聚集，達(dá)到高效回收蒸騰水的目的。

圖3 捕水器模擬

2.2.2 水處理與水檢測(cè)部分

由于捕水器捕捉到的水可能摻有雜質(zhì)和細(xì)菌，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水處理與檢測(cè)裝置[4]。此部分設(shè)雙層過濾材料(活性炭和紫外線)用來吸附雜質(zhì)和消毒，水經(jīng)過雙層過濾材料后進(jìn)入水檢測(cè)分流器。經(jīng)檢測(cè)合格的水通過下方導(dǎo)管進(jìn)入地下儲(chǔ)藏室進(jìn)行儲(chǔ)藏，若不合格，則水由上方導(dǎo)管運(yùn)輸至雙層過濾裝置，重復(fù)該過程至水質(zhì)檢測(cè)合格。

2.2.3 智能控制部分

在捕水器與電源之間安裝一個(gè)跨陣M4，手機(jī)通過跨陣M4設(shè)置設(shè)備運(yùn)行的條件，自動(dòng)監(jiān)控大棚內(nèi)的相對(duì)濕度和相對(duì)溫度，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的條件，整個(gè)裝置運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的相對(duì)濕度和溫度。

(1) 智能開關(guān)的設(shè)計(jì)及原理。整個(gè)系統(tǒng)通過跨陣M4實(shí)現(xiàn)裝置的開啟。當(dāng)大棚內(nèi)的濕度達(dá)到收集的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，排風(fēng)扇自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，簾門自動(dòng)打開，吸收夾雜著大量蒸騰水的空氣。與此同時(shí)，紫外線殺毒裝置開啟?？珀嘙4與K3G-2互聯(lián)網(wǎng)控制開關(guān)并聯(lián)，手機(jī)App控制其余電器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了在沒有人工干預(yù)的條件下，裝置自行啟動(dòng)運(yùn)行?？珀嘙4以及串聯(lián)的相關(guān)電器均采用220V轉(zhuǎn)5V電壓供電，允許通過最大的電流為10A，加熱器以及控制開關(guān)采用220V轉(zhuǎn)12V的電壓供電。整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分采用Wi-Fi連接設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)在手，智能操作”的設(shè)計(jì)理念。

(2) 智能開關(guān)的工作流程 。如圖4所示，在裝置正式投入使用前，設(shè)置跨陣M4中溫度感應(yīng)器開關(guān)的開啟和關(guān)閉的濕度條件。連接電源后，WRN-101(溫、濕度傳感器)開始工作，當(dāng)大棚內(nèi)濕度達(dá)到開關(guān)開啟的濕度時(shí)， WRN-101控制開關(guān)開啟，小型風(fēng)扇(A) 和紫外線殺毒(UV)。K3G-2互聯(lián)網(wǎng)控制開關(guān)啟動(dòng)，水質(zhì)檢測(cè)儀和水泵啟動(dòng)。第二部分定時(shí)開關(guān)，當(dāng)跨陣M4啟動(dòng)，定時(shí)開關(guān)的常閉系統(tǒng)開啟，達(dá)到定時(shí)開關(guān)設(shè)定時(shí)間后，常開系統(tǒng)打開。接通電源，水質(zhì)檢測(cè)儀開始工作，檢測(cè)合格后的水進(jìn)入蓄水池，到達(dá)指定水位后水泵開始工作，將多余的水抽出蓄水池。

圖4 智能開關(guān)工作電路

3 系統(tǒng)的創(chuàng)新特色

溫室大棚蒸騰水吸收與利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為溫室農(nóng)產(chǎn)品的健康生產(chǎn)和水資源的循環(huán)利用提供可能，該系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新特色。

(1)以溫室大棚為單位，實(shí)現(xiàn)蒸騰水水資源的吸收(捕捉)、處理與再利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水理念的創(chuàng)新。

(2)蒸騰水吸收與處理系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了蒸騰水收集、處理方式的創(chuàng)新。

(3)基于智能化控制理念的蒸騰水吸收與灌溉利用系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了蒸騰水收集與利用方式的集成創(chuàng)新。